KR102369766B1

KR102369766B1 - 위치제어장치, 유압구동장치

Info

Publication number: KR102369766B1
Application number: KR1020180025084A
Authority: KR
Inventors: 코이치 이치하라; 카이지 사토
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2022-03-02
Also published as: TW201837350A; CN108691840A; KR20180111518A; JP2018173131A; JP6896484B2; TWI749178B; CN108691840B

Abstract

유압실린더의 피스톤위치의 미소한 변위의 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 위치제어장치 등을 제공한다.
위치제어장치는 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부와, 작동유공급부를 제어함으로써, 유압실린더의 피스톤의 위치를 제어하는 제어부를 구비하며, 제어부는, 작동유공급부로부터 간헐적으로 유압실린더에 작동유를 공급시켜, 피스톤의 위치를 목표위치에 맞춘다. 또, 위체제어장치는 유압실린더와, 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부를 구비하며, 작동유공급부는, 유압실린더가 이동을 개시한 후 소정의 목표위치에 도달할 때까지, 간헐적으로 작동유를 유압실린더에 공급한다.

Description

위치제어장치, 유압구동장치{Position control device and hydraulic driving device}

본 출원은 2017년 3월 31일에 출원된 일본 특허출원 제2017-071785호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 유압실린더의 피스톤의 위치를 제어하는 위치제어장치 등에 관한 것이다.

종래, 작동유공급부로부터 유압실린더에 작동유를 공급하여, 유압실린더를 구동시키는 구동장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에서는, 작동유공급부로서의 유압펌프로부터 유압실린더에 작동유를 공급시킴으로써, 유압실린더의 피스톤이 이동하며, 피스톤과 일체가 되어 이동 가능하게 연결되는 평면연삭반의 테이블이 구동된다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2013-160318호

그러나, 예를 들면, 평면연삭반의 테이블과 같이, 슬라이딩하면서 이동하는 피구동부를 유압실린더로 구동하는 경우, 미속(微速)영역에서는, 이른바 스틱슬립 운동이 발생하게 된다. 이로 인하여, 위치편차에 따라 연속적으로 유량을 변화시키는 일반적인 피드백제어의 수법에서는, 목표위치의 직전에서 스틱(정지)하거나, 슬립하여 목표위치를 지나치는 것을 반복하여, 요구되는 미소한 변위의 정밀도를 담보할 수 없을 가능성이 있다.

따라서, 상기 과제를 감안하여, 유압실린더의 피스톤위치의 미소한 변위의 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 위치제어장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에서는,

유압실린더의 피스톤의 위치를 제어하는 위치제어장치로서,

상기 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부와,

상기 작동유공급부를 제어함으로써, 상기 피스톤의 위치를 제어하는 제어부를 구비하며,

상기 제어부는, 상기 작동유공급부로부터 간헐적으로 상기 유압실린더에 작동유를 공급시켜, 상기 피스톤의 위치를 목표위치에 맞추는, 위치제어장치가 제공된다.

또, 본 발명의 다른 실시형태에서는,

유압실린더와,

상기 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부를 구비하며,

상기 작동유공급부는, 상기 유압실린더가 이동을 개시한 후 소정의 목표위치에 도달할 때까지, 간헐적으로 작동유를 상기 유압실린더에 공급하는, 유압구동장치가 제공된다.

본 실시형태에 의하면, 유압실린더의 피스톤위치의 미소한 변위의 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 위치제어장치 등을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 유압구동장치의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 본 실시형태에 관한 위치제어장치의 구성의 일례를 나타내는 제어계의 블록선도이다.
도 3은 본 실시형태에 관한 위치제어장치에 있어서의 제어지령(속도지령)의 일례를 나타내는 도이다.
도 4는 평면연삭반의 테이블의 현재위치와 목표위치 사이의 편차와, 펄스폭의 관계의 일례를 설명하는 도이다.
도 5는 비교예에 관한 위치제어장치의 구성을 나타내는 제어계의 블록선도이다.
도 6은 비교예에 관한 위치제어장치에 있어서의 제어지령(속도지령)의 일례를 나타내는 도이다.
도 7은 슬라이딩면에 있어서의 마찰특성의 일례를 나타내는 도이다.
도 8은 비교예에 관한 위치제어장치에 의한 평면연삭반의 테이블위치의 제어결과를 나타내는 도이다.
도 9는 본 실시형태에 관한 위치제어장치에 의한 평면연삭반의 테이블위치의 제어결과의 일례를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다.

[유압구동장치의 구성]

먼저, 도 1을 참조하여, 본 실시형태에 관한 유압구동장치(100)의 구성에 대하여 설명한다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 유압구동장치(100)의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도이다.

유압구동장치(100)는, 전동모터(2)에 의하여 회전구동되는 유압펌프(1)로 유압실린더(3)를 구동한다. 유압실린더(3)는, 예를 들면, 도시하지 않은 평면연삭반의 테이블을 구동하기 위하여 이용된다. 이하, 유압실린더(3)는, 평면연삭반의 테이블을 구동하는 것을 전제로 설명을 진행한다.

다만, 평면연삭반의 테이블은, 예를 들면, 그 하면에 2개의 레일(도시생략)을 가짐과 함께, 당해 2개의 레일이 평면연삭반의 고정부인 베드(도시생략)의 위에 마련되는 2개의 홈에 끼워져, 슬라이딩 가능하게 탑재된다. 또, 테이블의 레일과 베드의 홈의 사이의 슬라이딩면은, 이른바 동압 슬라이딩 안내면으로서 기능하고, 윤활유가 공급된다.

유압구동장치(100)는, 유압펌프(1), 전동모터(2), 유압실린더(3), 안전밸브(4L, 4R), 차지펌프(5), 전동모터(6), 셔틀밸브(7), 릴리프밸브(8), 센서(9), 컨트롤러(10) 등을 포함한다.

유압펌프(1)(작동유공급부의 일례)는, 유압실린더(3)에 작동유를 공급함으로써, 유압실린더(3)을 구동하는 쌍방향유압펌프이다. 유압펌프(1)는, 고정용량형이어도 되고, 가변용량형이어도 된다.

전동모터(2)는, 유압펌프(1)를 회전구동한다. 전동모터(2)는, 예를 들면, AC서보모터이다.

유압실린더(3)는, 피스톤(3a)에 의하여 이격되는 오일챔버(3L) 및 오일챔버(3R)를 갖는 유압 액츄에이터이다. 오일챔버(3L)는, 포트(3b) 및 관로(C1)를 통하여, 유압펌프(1)의 포트(1a)에 유체적으로 연통되며, 오일챔버(3R)는, 포트(3c) 및 관로(C2)를 통하여, 유압펌프(1)의 포트(1b)에 유체적으로 연통된다. 본 실시형태에 있어서, 유압실린더(3)는, 피스톤(3a)의 양측으로 뻗어 있는 2개의 로드를 구비한 양측 로드실린더이고, 2개의 로드 중 어느 일방이 평면연삭반의 테이블(도시생략)에 결합된다.

다만, 유압실린더(3)는, 피스톤(3a)의 편측으로 뻗어 있는 1개의 로드를 구비하는 편측 로드실린더여도 되고, 평면연삭반의 테이블이 직접적으로 피스톤(3a)에 결합되는, 로드가 생략되는 구성이어도 된다.

안전밸브(4L)는, 관로(C1) 내의 압력이 소정압력 이상이 된 경우에, 관로(C1) 내의 작동유를 작동유탱크(T1)로 빠져 나가게 한다. 또, 안전밸브(4R)는, 관로(C2) 내의 압력이 소정압력 이상이 된 경우에, 관로(C2) 내의 작동유를 작동유탱크(T1)로 빠져 나가게 한다.

안전밸브(4L)는, 작동유탱크(T1)에 유체적으로 연통되는 관로(C3)와 관로(C1)를 연결하는 관로(C4) 상에 배치된다. 또, 안전밸브(4R)는, 관로(C3)와 관로(C2)를 연결하는 관로(C5) 상에 배치된다.

차지펌프(5)는, 관로(C1, C2)의 각각의 압력이 소정의 차지압 이상이 되도록 작동유를 토출하는 일방향유압펌프이다. 차지펌프(5)는, 고정용량형이어도 되고, 가변용량형이어도 된다. 또, 차지펌프(5)의 1회전당 토출량은, 유압펌프(1)의 1회전당 토출량보다 작다. 차지펌프(5)는, 주된 유압펌프(1)를 보조하는 정도의 작동유를 공급할 수 있으면 되기 때문이다.

전동모터(6)는, 차지펌프(5)를 회전구동한다. 전동모터(6)는, 예를 들면, AC서보모터이다. 전동모터(6)는, 차지펌프(5)가 소정의 유속으로 작동유를 계속적으로 토출하도록, 소정의 회전속도로 계속적으로 회전한다.

다만, 전동모터(6)는, 차지펌프(5)의 토출압이 소정의 차지압이 되도록 차지펌프(5)의 토출량을 변화시키기 위하여, 회전속도를 변화시키면서 회전해도 된다.

셔틀밸브(7)는, 관로(C1) 또는 관로(C2)와, 작동유탱크(T1) 및 차지펌프(5)의 각각의 사이의 작동유의 흐름을 제어하는 밸브이며, 1개의 일차측포트(7a)와 2개의 이차측포트(7b, 7c)를 갖는다.

일차측포트(7a)는, 관로(C6)를 통하여, 차지펌프(5)의 토출포트에 유체적으로 연통되고, 일방의 이차측포트(7b)는, 관로(C7)를 통하여, 관로(C1)에 유체적으로 연통되며, 타방의 이차측포트(7c)는, 관로(C8)를 통하여, 관로(C2)에 유체적으로 연통된다.

구체적으로는, 셔틀밸브(7)는, 관로(C1) 내의 압력이 소정의 차지압보다 낮은 경우, 이차측포트(7b)를 통하여, 차지펌프(5)가 토출하는 작동유를 관로(C1) 내로 도입한다. 또, 셔틀밸브(7)는, 관로(C2) 내의 압력이 소정의 차지압보다 낮은 경우, 이차측포트(7c)를 통하여, 차지펌프(5)가 토출하는 작동유를 관로(C2) 내로 도입한다.

릴리프밸브(8)는, 일차측포트(8a)의 압력이 소정의 설정압 이상이 된 경우에 일차측포트(8a)와 이차측포트(8b)를 유체적으로 연통하여 일차측포트(8a)의 작동유를 이차측포트(8b)에 유출시킨다.

일차측포트(8a)는, 관로(C9)를 통하여, 관로(C6)에 유체적으로 연통되고, 이차측포트(8b)는, 관로(C10)를 통하여, 작동유탱크(T1)에 유체적으로 연통된다.

본 실시형태에서는, 릴리프밸브(8)는, 전자비례(電磁比例) 릴리프밸브이며, 컨트롤러(10)로부터 공급되는 제어전류의 크기에 따라 설정압을 변화시킨다. 릴리프밸브(8)의 설정압은, 차지펌프(5)의 차지압에 대응한다.

센서(9)는, 유압실린더(3)의 동작상태를 검출하는 센서이며, 예를 들면, 피스톤(3a)의 변위를 검출하는 위치센서이다. 센서(9)는, 검출한 값을 컨트롤러(10)에 출력한다.

컨트롤러(10)(제어부의 일례)는, 유압구동장치(100)의 동작을 제어한다. 컨트롤러(10)는, 그 기능이 임의의 하드웨어, 소프트웨어, 혹은 그들의 조합에 의하여 실현되어도 되고, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 입출력 인터페이스 등을 구비한 컴퓨터이다.

컨트롤러(10)는, 예를 들면, 유저로부터의 입력에 따라, 평면연삭반의 테이블의 소요이동거리(현재위치와 유저로부터의 입력에 대응하는 목표위치의 거리), 즉 피스톤(3a)의 소요이동거리를 결정한다. 또, 컨트롤러(10)는, 결정한 피스톤(3a)의 소요이동거리에 따라, 제어신호(전압지령)를 전동모터(2)에 대하여 출력하여, 전동모터(2)를 구동한다. 이로써, 컨트롤러(30)는, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)로 작동유를 공급시켜, 피스톤(3a)의 위치를 제어할 수 있다. 즉, 유압펌프(1), 전동모터(2), 컨트롤러(10)는, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 위치를 제어하는 위치제어장치(200)의 구성요소로서 기능한다.

또, 컨트롤러(10)는, 센서(9)의 출력에 근거하여, 피스톤(3a)의 위치, 즉 평면연삭반의 테이블의 위치를 감시하면서, 평면연삭반의 테이블이 목표위치에 도달했는지 아닌지를 판정한다. 구체적으로는, 컨트롤러(10)는, 센서(9)의 출력에 근거하는 피스톤(3a)의 위치와 목표위치의 차분이 소정범위 내에 수렴된 경우, 평면연삭반의 테이블이 목표위치에 도달했다고 판정한다.

컨트롤러(10)는, 평면연삭반의 테이블이 목표위치에 도달했다고 판정한 경우, 유압펌프(1)의 회전을 정지시키기 위한 제어신호를 전동모터(2)에 대하여 출력한다.

[위치제어장치에 의한 유압실린더의 위치제어방법]

다음으로, 도 2~도 4를 참조하여, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)에 의한 피스톤(3a)의 위치제어수법의 상세에 대하여 설명을 한다.

[원리]

먼저, 위치제어장치(200)에 의한 위치제어수법의 전제가 되는 원리에 대하여 설명을 한다.

유압실린더(3)의 피스톤(3a)을 이동시키는 추력 F는, 피스톤(3a)의 수압면적 A와 오일챔버(3L, 3R)의 사이의 압력차 ΔP를 이용하여, 다음의 식 (1)로 나타난다.

F=A·ΔP…(1)

또, 오일챔버(3L, 3R)의 사이의 압력차 ΔP는, 작동유의 압축성의 정의로부터, 작동유의 체적탄성계수 Kv, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)에 토출된 작동유의 체적 ΔV, 유압실린더(3) 및 유압실린더(3)에 연통하는 전체 관로의 용적 V0를 이용하여, 다음의 식 (2)로 나타난다.

ΔP=Kv·ΔV/V0…(2)

또, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)에 토출된 작동유의 체적 ΔV는, 유압펌프(1)의 일회전당 변위용적 Dp와, 유압펌프(1)의 입력축의 회전각변위 Δθ[rad]를 이용하여, 다음의 식 (3)으로 나타난다.

ΔV=Dp·Δθ/(2π)…(3)

또, 유압펌프(1)의 입력축의 회전각변위 Δθ는, 입력축의 각속도 ω와 기동시간(전동모터(2)의 동력으로 회전하고 있는 시간) Δt를 이용하여, 다음의 식 (4)로 나타난다.

Δθ=ω·Δt…(4)

따라서, 식 (1)~식 (4)로부터, 유압실린더(3)의 추력 F는, 다음의 식 (5)로 나타난다.

F=A·Kv·ΔV/V0=A·Kv·Dp·Δθ/(2π·V0)

=A·Kv·Dp·ω·Δt/(2π·V0)…(5)

유압실린더(3)는, 그 추력 F가 평면연삭반의 테이블의 슬라이딩면에 있어서의 정지마찰력 Fr보다 큰 경우에, 정지상태로부터 이동하기 시작한다. 이로 인하여, 정지상태로부터 움직이기 위하여 필요한 오일챔버(3L, 3R)의 사이의 압력차(최저소요 압력차) ΔPn은, 식 (1)로부터 다음의 식 (6)으로 나타난다.

ΔPn=Fr/A…(6)

또, 최저소요 압력차 ΔPn을 발생시키기 위한 유압펌프(1)의 기동시간(최저기동시간) Δt0은, 식 (5)로부터 다음의 식 (7)로 나타난다.

Δt0=2π·Fr·V0/(A·Kv·Dp·ω)…(7)

최저기동시간 Δt0을 초과하는 시간만큼 유압펌프(1)를 구동시키면, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)은 변위한다. 그리고, 그때의 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 변위량 ΔX는, 다음의 식 (8)로 나타난다.

ΔX=ΔV/A…(8)

유압펌프(1)의 기동시간 Δt 중의 유압실린더(3)의 피스톤(3a)이 이동하기 시작한 후의 실효적인 시간폭 Δt-Δt0에서, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)에 토출되는 작동유의 체적 ΔVe는, 식 (3), 식 (4)로부터 다음의 식 (9)로 나타난다.

ΔVe=Dp·Δθ/2π=Dp·ω·(Δt-Δt0)/2π…(9)

따라서, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 변위량 ΔX는, 식 (8), 식 (9)로부터 다음의 식 (10)으로 나타난다.

ΔX=Dp·ω·(Δt-Δt0)·(2π·A)…(10)

이와 같이, 식 (8)~식 (10)에 의하면, 위치제어장치(200)는, 유압펌프(1)의 기동시간 Δt, 즉 유압펌프(1)를 구동하는 전동모터(2)의 기동시간 Δt를 제어함으로써, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)에 공급되는 작동유의 용적 ΔVe를 조정하여, 결과적으로, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 변위량 ΔX를 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 위치제어장치(200)(구체적으로는, 컨트롤러(10))는, 미리 규정되는 제어주기마다, 제어주기보다 짧은 시간폭(이하, "펄스폭"이라고 칭함)만큼 유압펌프(1)를 구동하고, 나머지 시간은, 유압펌프(1)를 정지시키는 제어상태를 반복한다. 즉, 위치제어장치(200)는, 유압펌프(1)로부터 간헐적으로 작동유를 공급함으로써, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)을 미소 이송시키면서, 유압실린더(3)의 피스톤(3a)을 목표위치에 맞춘다. 이하, 위치제어장치(200)에 의한 당해 원리를 이용한 제어방법을 "토출용량제어"라고 칭한다. 이하, 당해 토출용량제어의 상세에 대하여 설명을 한다.

다만, 위치제어장치(200)에 있어서, 당해 제어방법은, 센서(9)에 의하여 검출되는 피스톤(3a)(즉, 평면연삭반의 테이블)의 현재위치와, 테이블의 목표위치의 편차가 매우 미소한 영역(이하, "미소변위영역"이라고 칭함), 즉 편차가 작고, 테이블의 속도가 매우 미소한 영역(이하, "미속영역"이라고 칭함), 즉 스틱슬립현상이 발생하는 속도영역에서 채용된다. 한편, 위치제어장치(200)에 있어서, 미소변위영역이나 미속영역보다 편차나 속도가 큰 영역, 즉 스틱슬립현상이 발생하지 않는 속도영역에서는, 후술하는 통상의 토출유량제어가 채용된다. 예를 들면, 위치제어장치(200)는, 통상 토출유량제어를 개시함과 함께, 센서(9)에 의하여 검출되는 피스톤(3a)의 위치에 근거하여 산출되는 피스톤(3a)(즉, 평면연삭반의 테이블)의 속도가, 스틱슬립현상이 개시되는 한곗값(10mm/s(초속 10밀리미터) 전후) 이상으로 설정되는 소정속도(예를 들면, 10mm/s(초속 10밀리미터)) 이하가 되면, 토출유량제어로부터 토출용량제어로 전환한다. 또, 예를 들면, 위치제어장치(200)는, 토출유량제어에 의하여 생성되는 후술의 속도지령(지령값 ωc)이, 피스톤(3a)의 속도로서의 상기 소정속도(예를 들면, 10mm/s(초속 10밀리미터))를 전동모터(2)의 회전속도로 환산한 소정회전속도 이하가 되면, 토출유량제어로부터 토출용량제어로 전환해도 된다.

[본 실시형태에 관한 위치제어방법의 상세]

계속해서, 도 2~도 4를 참조하여, 상술한 위치제어장치(200)에 의한 토출용량제어의 상세에 대하여 설명한다.

도 2는, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)의 구성의 일례를 나타내는 제어계의 블록선도이다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)에 있어서의 제어지령(속도지령)의 일례를 나타내는 도이다. 도 4는, 센서(9)에 의하여 검출되는 평면연삭반의 테이블의 현재위치와 목표위치의 편차와, 펄스폭의 관계의 일례를 나타내는 도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 위치제어장치(200)는, 컨트롤러(10), 센서(9), 전동모터(2), 유압펌프(1)를 포함하며, 제어대상으로서의 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 위치, 즉 피스톤(3a)에 연결되는 평면연삭반의 테이블의 위치를 제어한다.

컨트롤러(10)는, 유저로부터의 입력 등에 근거하는 평면연삭반의 테이블의 목표위치와 센서(9)에 의하여 검출되는 테이블의 현재위치의 편차에 따라, 전동모터(2)를 구동제어한다. 컨트롤러(10)는, 편차·펄스폭변환기(11)와, 드라이버(12)를 포함한다.

편차·펄스폭변환기(11)는, 미리 규정되는 제어주기(예를 들면, 1s(1초) 이하로 설정됨)마다, 테이블의 목표위치와 센서(9)에 의하여 검출된 테이블의 현재위치의 편차에 따라, 유압펌프(1), 즉 유압펌프(1)를 구동하는 전동모터(2)의 속도지령을 생성한다. 구체적으로는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 편차·펄스폭변환기(11)는, 테이블의 목표위치와 센서(9)에 의하여 검출된 테이블의 현재위치의 편차를, 이번 제어주기(Tc)에서의 전동모터(2)의 기동시간폭, 즉 펄스폭(PWc(<Tc))으로 변환한다. 그리고, 편차·펄스폭변환기(11)는, 제어주기(Tc)의 개시로부터 펄스폭(PWc)에 대응하는 시간만큼 전동모터(2)를 소정의 일정속도로 구동하여, 제어기간 중의 나머지 기간(즉, 제어주기(Tc)로부터 펄스폭(PWc)을 뺀 기간)은, 속도 제로인(즉, 전동모터(2)를 정지시킨) 펄스형상의 속도지령을 생성한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 편차·펄스폭변환기(11)는, 테이블의 목표위치와 센서(9)에 의하여 검출된 테이블의 현재위치의 편차가 커질수록, 펄스폭도 커지는 양태로, 편차를 펄스폭으로 변환해도 된다. 예를 들면, 편차·펄스폭변환기(11)는, 그래프 401과 같이, 편차가 소정값 이하인 경우, 편차에 비례하여 펄스폭이 커지고, 편차가 소정값을 초과하면 펄스폭이 일정해지는 양태로, 편차를 펄스폭으로 변환해도 된다. 또, 예를 들면, 편차·펄스폭변환기(11)는, 그래프 402와 같이, 대상영역(즉, 미소변위영역)에 있어서, 일정하게, 편차에 비례하여 펄스폭이 커지는 양태로, 편차를 펄스폭으로 변환해도 된다. 이로써, 도 3에 나타내는 바와 같이, 최초의 제어주기에서는, 비교적 큰 펄스폭(PWc)의 속도지령이 생성되어, 편차가 작아짐에 따라, 펄스폭(PWc)은 작아져 간다.

드라이버(12)는, 속도지령에 근거하여, 전동모터(2)를 구동하는 구동지령(전압지령)을 전동모터(2)에 출력한다.

다만, 드라이버(12)는, 전동모터(2)에 내장되는 양태여도 되고, 컨트롤러(10) 및 전동모터(2)의 쌍방과는, 별도로 마련되는 양태여도 된다.

전동모터(2)는, 드라이버(12)로부터 입력되는 전압지령에 따라 구동된다. 즉, 전동모터(2)는, 소정의 제어주기(Tc) 중, 편차·펄스폭변환기(11)에 의하여 생성되는 속도지령의 펄스폭에 상당하는 시간만큼 일정속도로 구동됨과 함께, 나머지 시간은 정지된다.

유압실린더(3)는, 유압펌프(1)로부터 간헐적으로 즉 제어주기(Tc)마다 펄스폭(PWc)의 기간만큼 작동유가 공급됨으로써, 그 피스톤(3a) 즉, 평면연삭반의 테이블이, 간헐적으로 이동을 반복하여, 목표위치에 수렴해 간다.

[본 실시형태에 관한 위치제어장치의 작용]

다음으로, 도 5~도 9를 참조하여, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)의 작용에 대하여 설명을 한다.

먼저, 도 5~도 8은, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)의 작용을 설명하는 도이다. 구체적으로는, 도 5는, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)의 구성을 나타내는 제어계의 블록선도이다. 도 6은, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)에 있어서의 제어지령(속도지령)의 일례를 나타내는 도이다. 도 7은, 평면연삭반의 테이블의 슬라이딩면의 마찰특성의 일례를 나타내는 도이다. 도 8은, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)에 의한 평면연삭반의 테이블의 위치의 미소변위영역에 있어서의 제어결과의 일례를 나타내는 도이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)는, 컨트롤러(10) 대신에, 컨트롤러(10c)가 포함되는 점에서, 본 실시형태의 위치제어장치(200)와 상이하다. 구체적으로는, 컨트롤러(10c)는, 편차·펄스폭변환기(11) 대신에, 일반적인 PID(Proportional Integral Derivative)제어기(11c)가 포함되는 점에서, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)와 다르다.

PID제어기(11c)는, 미리 규정되는 제어주기마다, 평면연삭반의 테이블의 목표위치와, 센서(9)에 의하여 검출되는 테이블의 현재위치의 편차에 따라, 유압펌프(1), 즉, 유압펌프(1)를 구동하는 전동모터(2)의 속도지령을 생성한다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 바와 같이, PID제어기(11c)는, 평면연삭반의 테이블의 목표위치와, 센서(9)에 의하여 검출되는 테이블의 현재위치의 편차에 따라, 전동모터(2)를 구동하는 전동모터(2)의 회전속도의 지령값 ωc를 변화시키는 양태(즉, 편차가 클수록, 지령값 ωc가 커지는 양태)로, 속도지령을 생성하고, 상술한 토출용량제어의 경우와 달리, 각 제어주기(Tc)에 있어서, 속도지령이 제로가 되는 경우는 없다. 이로써, PID제어기(11c)는, 유압펌프(1)로부터 유압실린더(3)에 연속적으로 공급되는 작동유의 유량을 조정한다. 이하, 당해 제어방법을 "토출유량제어"라고 칭한다.

토출유량제어에서는, 유압실린더(3)에 연속적으로 작동유가 공급되기 때문에, 미소변위영역에서 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 위치가 제어되는 경우, 유압실린더(3)의 매우 낮은 속도의 영역(이하 "미속영역"이라고 칭함)에 있어서의 속도제어특성이 중요해진다.

그러나, 도 7에 나타내는 바와 같이, 평면연삭반의 테이블의 슬라이딩면의 마찰계수는, 이동속도가 미속영역에 들어가면, 급격하게 증가하는 특성을 갖는다. 이로 인하여, 미속영역에서는, 스틱슬립현상에 의한 속도변동이 발생하기 쉬워지기 때문에, 원하는 속도제어성능이 얻어지지 않을 가능성이 있다.

예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 평면연삭반의 테이블, 즉 유압실린더(3)의 피스톤(3a)의 위치를 0.2mm(즉, 200μm)씩 미소변위시키는 양태의 목표위치를 입력해도, PID제어기(11c)로부터의 속도지령에 대응하는 전동모터(2)의 회전속도가 제로로 수렴되지 않아, 비교예에 관한 위치제어장치(200c)는, 피스톤(3a)의 위치를 양호한 정밀도로 목표위치에 맞출 수 없다.

이에 대하여, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)에서는, 상술과 같이, 토출용량제어가 채용된다. 본 제어수법에서는, 상술한 식 (5)~식 (10)과 같이, 유압실린더(3)에 공급되는 작동유의 용량(체적)의 정밀도와, 피구동부인 평면연삭반의 테이블의 슬라이딩면에 있어서의 정지마찰특성으로부터 피스톤(3a)의 변위량이 결정되며, 미속영역에 있어서의 속도제어성능에는 의존하지 않는다. 또, 유압실린더(3)에 공급되는 작동유의 용량의 정밀도는, 상술한 식 (9)로부터 유압펌프(1), 즉 전동모터(2)의 회전각속도 ω와 기동시간폭 Δt의 정밀도로 정해지지만, 이것은, 예를 들면, AC서보모터 등의 전동모터(2)의 능력이나 전동모터(2)를 구동하는, 예를 들면, PLC(Programmable Logic Controller) 등의 드라이버(12)의 능력에서 보면, 실용상 문제없는 레벨로 담보될 수 있다.

예를 들면, 도 8은, 본 실시형태에 관한 위치제어장치(200)에 의한 평면연삭반의 테이블의 위치의 미소변위영역에 있어서의 제어결과의 일례를 나타내는 도이다. 구체적으로는, 5μm씩 미소한 단계로 변위시키는 양태의 목표위치의 입력에 대한 제어결과를 나타내는 도이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 본예에서는, 도 7에 나타낸 비교예의 경우보다 더 미소한 폭(5μm)으로, 테이블의 위치를 미소한 단계로 변위시키는 목표위치가 입력되어 있지만, 제어주기(0.5s) 중에서 속도지령은, 완전히 제로에 수렴하여, 테이블의 위치도 양호한 정밀도로 목표위치에 수렴하고 있다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 위치제어장치(200)(컨트롤러(10))는, 유압펌프(1)로부터 간헐적으로 유압실린더(3)에 작동유를 공급시켜, 피스톤(3a)의 위치를 목표위치에 맞춘다. 환언하면, 유압구동장치(100)(유압펌프(1))는, 유압실린더(3)가 이동을 개시한 후 피스톤(3a)이 소정의 목표위치에 도달할 때까지의 사이에, 간헐적으로 작동유를 유압실린더(3)에 공급한다. 이로써, 미소변위영역에 있어서 슬라이딩하면서 이동하는 피구동부를 구동하는 유압실린더의 피스톤의 위치를 양호한 정밀도로 제어할 수 있다.

이상, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양하게 변형·변경이 가능하다.

예를 들면, 상술한 실시형태에서는, 유압구동장치(100)는, 평면연삭반의 테이블을 이동시키기 위하여 이용되지만, 사출성형기의 사출실린더나 가동플라텐 등, 이동 시에 슬라이딩저항이 발생하는 다른 장치(공작기계)의 구성부품을 이동하기 위하여 이용되어도 된다.

또, 상술한 실시형태에서는, 유압펌프(1)로부터 간헐적으로 토출되는 작동유의 용량이 제어됨으로써, 유압실린더(3)의 위치가 제어되지만, 다른 작동유공급부로부터 토출되는 작동유의 용량이 제어되어도 된다. 예를 들면, 밸브(작동유공급부의 다른 예)의 개폐제어가 행해짐으로써, 당해 밸브를 경유하여 유압실린더(3)에 공급되는 작동유의 용량이 제어되어도 된다. 이로써, 상술한 실시형태와 동일한 작용·효과가 얻어진다. 또, 밸브를 이용하는 경우, 밸브에 작동유를 공급하는 유압펌프에는, 일방향펌프를 채용할 수 있으므로, 예를 들면, 범용의 밸브, 및 범용의 일방향펌프를 이용함으로써, 코스트 상승을 억제할 수 있다.

1 유압펌프(작동유공급부)
1a 포트
1b 포트
2 전동모터
3 유압실린더
3a 피스톤
3b 포트
3c 포트
3L 오일챔버
3R 오일챔버
4L, 4R 안전밸브
5 차지펌프
6 전동모터
7 셔틀밸브
8 릴리프밸브
9 센서
10 컨트롤러(제어부)
11 편차·펄스폭변환기
100 유압구동장치
200 위치제어장치

Claims

유압실린더의 피스톤의 위치를 제어하는 위치제어장치로서,
상기 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부와,
소정의 제어주기로 상기 작동유공급부를 제어함으로써, 상기 작동유공급부로부터 간헐적으로 상기 유압실린더에 작동유를 공급시켜서, 상기 피스톤의 위치를 목표위치에 맞추는 제어부를 구비하며,
상기 제어부는, 상기 제어주기마다, 상기 제어주기보다 짧은 시간폭만큼 상기 작동유공급부로부터 상기 유압실린더에 작동유를 공급시키는 것에 의해, 상기 피스톤을 이동시킨 후에 다음의 상기 제어주기까지 정지시키는 양태로, 상기 피스톤에 이동과 정지를 반복시키는, 위치제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 목표위치와 상기 피스톤의 현재위치의 편차에 따라 규정되는, 위치제어장치.
제 2 항에 있어서,
상기 소정주기는 1초 이하인, 위치제어장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 피스톤은, 고정부에 대하여 슬라이딩하면서 상기 피스톤에 의하여 구동되는 피구동부에 연결되며,
상기 시간폭은, 상기 고정부와 상기 피구동부 사이의 슬라이딩면에 있어서의 최대정지마찰력보다 큰 압력을 발생 가능한 상기 작동유의 용량을, 상기 작동유공급부로부터 공급하는 데에 필요로 하는 시간보다 길게 설정되는, 위치제어장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 작동유공급부는, 유압펌프이며,
상기 제어부는, 상기 소정주기마다 상기 유압펌프를 회전시키는 회전각을 조정함으로써, 상기 소정주기마다 상기 유압실린더에 공급되는 상기 작동유의 용량을 제어하는, 위치제어장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 목표위치와 상기 피스톤의 현재위치의 편차에 따라, 상기 작동유공급부로부터 연속적으로 상기 유압실린더에 작동유를 공급시키고, 상기 피스톤의 속도가 초속 10밀리미터 이하가 된 경우, 또는 상기 편차에 따라 생성되는 상기 작동유공급부에 대한 지령값이, 상기 피스톤의 속도로서의 초속 10밀리미터에 대응하는 소정값 이하가 된 경우, 상기 작동유공급부로부터 간헐적으로 상기 유압실린더에 작동유를 공급시켜, 상기 피스톤의 위치를 목표위치에 맞추는, 위치제어장치.
유압실린더와,
상기 유압실린더에 작동유를 공급하는 작동유공급부와,
소정의 제어주기로 상기 작동유공급부를 제어하는 제어부를 구비하며,
상기 작동유공급부는, 상기 유압실린더가 이동을 개시한 후 소정의 목표위치에 도달할 때까지의 사이에, 상기 제어주기마다, 상기 제어주기보다 짧은 시간폭만큼 작동유를 상기 유압실린더에 공급하는 것에 의해, 상기 유압실린더의 피스톤을 이동시킨 후에 다음의 상기 제어주기까지 정지시키는 양태로, 상기 피스톤에 이동과 정지를 반복시키는, 유압구동장치.